專利名稱：一種柔性噴管五自由度運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于火箭柔性噴管的控制監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種柔性噴管五自由度運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量裝置和方法。
背景技術(shù)：
在火箭發(fā)射過(guò)程中，柔性噴管的控制對(duì)火箭發(fā)射軌跡起到了至關(guān)重要的作用，其自身的微小轉(zhuǎn)動(dòng)決定了火箭運(yùn)行方向。因此，在火箭發(fā)射前的調(diào)試期間，需要對(duì)其柔性噴管的控制進(jìn)行嚴(yán)格和精密的測(cè)量，即需要對(duì)作動(dòng)桿施加作用力后柔性噴管沿各軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度及擺心的位移量進(jìn)行測(cè)量。在目前的火箭柔性噴管測(cè)量中，所采用的方法均為接觸式測(cè)量，即在噴管上安裝諸如加速度計(jì)、陀螺儀、位移、壓力等傳感器。由于是接觸式測(cè)量，不僅會(huì)影響噴管自身狀態(tài)，而且各種數(shù)據(jù)線、電纜線也極大的降低了測(cè)量的靈活性。在現(xiàn)有公開(kāi)的專利文獻(xiàn)中，僅有1993年2月M日公開(kāi)的申請(qǐng)?zhí)柺?2214536. 9的中國(guó)專利對(duì)火箭柔性噴管的非接觸測(cè)量進(jìn)行過(guò)研究，該系統(tǒng)采用了六路CCD相機(jī)結(jié)合安裝于噴管上的目標(biāo)板的方式進(jìn)行測(cè)量， 通過(guò)計(jì)算獲得噴管六個(gè)自由度的變化值。這種測(cè)量方式的不足之處在于需要在噴管上安裝目標(biāo)板，有可能改變噴管結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)；另外，這種測(cè)量系統(tǒng)其CCD相機(jī)和目標(biāo)板距離較近，很難在火箭調(diào)試期間進(jìn)行測(cè)量。因此，該種方法并沒(méi)有在實(shí)際測(cè)量中得到應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種柔性噴管五自由度運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量裝置和方法，其能夠?qū)崿F(xiàn)火箭柔性噴管的非接觸測(cè)量且不破壞噴管的結(jié)構(gòu)特性，同時(shí)能夠保證在噴管調(diào)試過(guò)程中測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性及實(shí)時(shí)性，而且還能夠滿足設(shè)備簡(jiǎn)單、易操作、抗干擾能力強(qiáng)的要求。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下一種柔性噴管五自由度運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量裝置，包括處理電路、面陣(XD、光學(xué)鏡頭、 編碼器和水平軸，處理電路、面陣CCD、光學(xué)鏡頭、編碼器四個(gè)部分作為一個(gè)整體安裝于水平軸上，柔性噴管的目標(biāo)點(diǎn)通過(guò)光學(xué)鏡頭成像在面陣CCD上，處理電路將采集到的圖像數(shù)據(jù)和編碼器測(cè)得的角度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并計(jì)算，獲得柔性噴管五自由度運(yùn)動(dòng)參數(shù)?；谏鲜鋈嵝試姽芪遄杂啥冗\(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量裝置的測(cè)量方法，該方法包括如下步驟步驟一、準(zhǔn)備兩套測(cè)量裝置和六個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，所述六個(gè)目標(biāo)點(diǎn)均為具有十字刻線的黑白標(biāo)識(shí)，并分別貼在柔性噴管管壁同軸的兩個(gè)圓周上；步驟二、將步驟一所述的兩套測(cè)量裝置調(diào)水平，并通過(guò)兩套測(cè)量裝置各自的水平軸旋轉(zhuǎn)至步驟一所述目標(biāo)點(diǎn)可以成像的位置并固定；步驟三、通過(guò)步驟二所述兩套測(cè)量裝置各自的光學(xué)鏡頭對(duì)步驟一所述六個(gè)目標(biāo)點(diǎn)成像，獲得步驟二所述兩套測(cè)量裝置中面陣C⑶上的像面位置；
步驟四、由步驟二所述兩套測(cè)量裝置中的處理電路通過(guò)步驟三獲得的像面位置和步驟二所述兩套測(cè)量裝置中的編碼器測(cè)得的角度值，計(jì)算出六個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的空間角度關(guān)系， 再結(jié)合基線的長(zhǎng)度值，根據(jù)交會(huì)測(cè)量原理推算出六個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)；步驟五、利用步驟四所獲得的六個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)，采用擬合的方法計(jì)算出步驟一所述兩個(gè)圓周的各自圓心坐標(biāo)，從而計(jì)算出步驟一所述柔性噴管軸線的方位角和俯仰角， 以及擺心的三維坐標(biāo)，進(jìn)而完成柔性噴管五自由度運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量。本發(fā)明的有益效果是該方法采用光學(xué)非接觸式測(cè)量，無(wú)須改變噴管結(jié)構(gòu)，不會(huì)引起噴管載荷變化；同時(shí)，由于采用雙面陣CCD成像結(jié)合交會(huì)測(cè)量原理，可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離的實(shí)時(shí)測(cè)量，全程記錄噴管五自由度的變化，具有精確、便捷、快速的優(yōu)點(diǎn)，非常適合于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管擺動(dòng)的精確測(cè)量。


圖1是本發(fā)明柔性噴管五自由度運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量方法的原理圖。圖2是本發(fā)明柔性噴管五自由度運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)框圖。圖3是本發(fā)明中的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量原理圖。圖4是本發(fā)明中的交會(huì)角測(cè)量原理圖。圖5是本發(fā)明中的俯仰角測(cè)量原理圖。圖6是本發(fā)明中的擺心位置坐標(biāo)及噴管俯仰角、方位角測(cè)量原理圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述。如圖2所示，本發(fā)明柔性噴管五自由度運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量裝置包括處理電路6、面陣CXD 7、光學(xué)鏡頭8、編碼器9和水平軸10，處理電路6、面陣(XD7、光學(xué)鏡頭8、編碼器9 四個(gè)部分作為一個(gè)整體安裝于水平軸10上，水平軸10可以在水平面內(nèi)360°旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)方位的對(duì)準(zhǔn)。柔性噴管的目標(biāo)點(diǎn)通過(guò)光學(xué)鏡頭8成像在面陣CXD 7上，處理電路6將采集到的圖像數(shù)據(jù)和編碼器9測(cè)得的角度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并計(jì)算，獲得柔性噴管五自由度運(yùn)動(dòng)參數(shù)。如圖1所示，基于上述柔性噴管五自由度運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量裝置的測(cè)量方法，該方法包括如下步驟步驟一、準(zhǔn)備兩套測(cè)量裝置1和六個(gè)目標(biāo)點(diǎn)2，所述六個(gè)目標(biāo)點(diǎn)2均為具有十字刻線的黑白標(biāo)識(shí)，并分別貼在柔性噴管3管壁同軸的兩個(gè)圓周上，用以指示噴管3位置；步驟二、將步驟一所述的兩套測(cè)量裝置1調(diào)水平，并通過(guò)兩套測(cè)量裝置1各自的水平軸10旋轉(zhuǎn)至步驟一所述目標(biāo)點(diǎn)2可以成像的位置并固定；步驟三、通過(guò)步驟二所述兩套測(cè)量裝置1各自的光學(xué)鏡頭8對(duì)步驟一所述六個(gè)目標(biāo)點(diǎn)2成像，獲得步驟二所述兩套測(cè)量裝置1中面陣CXD 7上的像面位置；步驟四、由步驟二所述兩套測(cè)量裝置1中的處理電路6通過(guò)步驟三獲得的像面位置和步驟二所述兩套測(cè)量裝置1中的編碼器9測(cè)得的角度值，計(jì)算出六個(gè)目標(biāo)點(diǎn)2的空間角度關(guān)系，再結(jié)合基線4的長(zhǎng)度值，根據(jù)交會(huì)測(cè)量原理推算出六個(gè)目標(biāo)點(diǎn)2的空間三維坐標(biāo)；步驟五、利用步驟四所獲得的六個(gè)目標(biāo)點(diǎn)2的坐標(biāo)，采用擬合的方法計(jì)算出步驟一所述兩個(gè)圓周的各自圓心坐標(biāo)，從而計(jì)算出步驟一所述柔性噴管3軸線的方位角和俯仰角，以及擺心5的三維坐標(biāo)，進(jìn)而完成柔性噴管3五自由度運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量。上述測(cè)量方法的具體實(shí)施過(guò)程如下一、目標(biāo)點(diǎn)空間三維坐標(biāo)的測(cè)量首先，建立坐標(biāo)系，以水平面為OXY平面，以左側(cè)測(cè)量裝置1的光節(jié)點(diǎn)0為圓心，右側(cè)測(cè)量裝置1的節(jié)點(diǎn)位于Y軸上，通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)獲取目標(biāo)點(diǎn)2的空間三維坐標(biāo)。如圖3所示，目標(biāo)點(diǎn)Atl在OXY平面的投影為A' ^，其中θ ” θ 2為方位交會(huì)角，αι為俯仰交會(huì)角，通過(guò)測(cè)量可以獲得交會(huì)角92和Ci1，通過(guò)標(biāo)定可以獲得基線4的長(zhǎng)度為H，根據(jù)三角形關(guān)系計(jì)算可得
權(quán)利要求
1.一種柔性噴管五自由度運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量裝置，其特征在于，該裝置包括處理電路 (6)、面陣CCD(7)、光學(xué)鏡頭(8)、編碼器(9)和水平軸(10)，處理電路(6)、面陣CCD(7)、光學(xué)鏡頭(8)、編碼器(9)四個(gè)部分作為一個(gè)整體安裝于水平軸(10)上，柔性噴管的目標(biāo)點(diǎn)通過(guò)光學(xué)鏡頭(8)成像在面陣CCD(7)上，處理電路(6)將采集到的圖像數(shù)據(jù)和編碼器(9)測(cè)得的角度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并計(jì)算，獲得柔性噴管五自由度運(yùn)動(dòng)參數(shù)。
2.基于權(quán)利要求1所述柔性噴管五自由度運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于，該方法包括如下步驟步驟一、準(zhǔn)備兩套測(cè)量裝置(1)和六個(gè)目標(biāo)點(diǎn)O)，所述六個(gè)目標(biāo)點(diǎn)( 均為具有十字刻線的黑白標(biāo)識(shí)，并分別貼在柔性噴管⑶管壁同軸的兩個(gè)圓周上；步驟二、將步驟一所述的兩套測(cè)量裝置⑴調(diào)水平，并通過(guò)兩套測(cè)量裝置⑴各自的水平軸(10)旋轉(zhuǎn)至步驟一所述目標(biāo)點(diǎn)( 可以成像的位置并固定；步驟三、通過(guò)步驟二所述兩套測(cè)量裝置(1)各自的光學(xué)鏡頭(8)對(duì)步驟一所述六個(gè)目標(biāo)點(diǎn)( 成像，獲得步驟二所述兩套測(cè)量裝置(1)中面陣CCD(7)上的像面位置；步驟四、由步驟二所述兩套測(cè)量裝置(1)中的處理電路(6)通過(guò)步驟三獲得的像面位置和步驟二所述兩套測(cè)量裝置(1)中的編碼器(9)測(cè)得的角度值，計(jì)算出六個(gè)目標(biāo)點(diǎn)(2) 的空間角度關(guān)系，再結(jié)合基線(4)的長(zhǎng)度值，根據(jù)交會(huì)測(cè)量原理推算出六個(gè)目標(biāo)點(diǎn)(2)的空間三維坐標(biāo)；步驟五、利用步驟四所獲得的六個(gè)目標(biāo)點(diǎn)O)的坐標(biāo)，采用擬合的方法計(jì)算出步驟一所述兩個(gè)圓周的各自圓心坐標(biāo)，從而計(jì)算出步驟一所述柔性噴管C3)軸線的方位角和俯仰角，以及擺心(5)的三維坐標(biāo)，進(jìn)而完成柔性噴管C3)五自由度運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量。
全文摘要
柔性噴管五自由度運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量裝置和方法屬于火箭柔性噴管的控制監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，該方法采用的設(shè)備主要由兩套測(cè)量裝置和六個(gè)目標(biāo)點(diǎn)構(gòu)成，六個(gè)目標(biāo)點(diǎn)分別貼在噴管壁同軸的兩個(gè)圓周上。首先利用兩套測(cè)量裝置分別對(duì)六個(gè)目標(biāo)點(diǎn)成像，然后根據(jù)像面位置關(guān)系，結(jié)合測(cè)量裝置內(nèi)部編碼器角度值算出目標(biāo)點(diǎn)空間角度關(guān)系，然后結(jié)合基線長(zhǎng)度值，根據(jù)交會(huì)測(cè)量原理推算出六個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)；利用六個(gè)坐標(biāo)采用擬合的方法算出兩個(gè)圓周各自圓心坐標(biāo)，從而計(jì)算出噴管的方位角和俯仰角及擺心的三維坐標(biāo)，進(jìn)而完成柔性噴管五自由度運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量。本發(fā)明由于采用面陣CCD成像，可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)測(cè)量，全程記錄噴管五自由度的變化，具有精確、便捷、快速的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01B11/26GK102155918SQ201110075689
公開(kāi)日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月28日
發(fā)明者劉暢, 劉紹錦, 李冬寧, 李建榮, 沈鋮武, 王志乾, 耿天文, 趙雁 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所